Mikä sentrifugointi on ja miksi sitä käytetään

Termi sentrifugi voi viitata koneeseen, jossa on nopeasti pyörivä säiliö sen sisällön erottamiseksi tiheys (substantiivi) tai koneen käyttäytymiseen (verbi). Sentrifugeja käytetään useimmiten erilaisten nesteiden ja kiinteiden hiukkasten erottamiseksi nesteistä, mutta niitä voidaan käyttää kaasuihin. Niitä käytetään myös muihin tarkoituksiin kuin mekaaniseen erotteluun.

Moderni sentrifugi jäljittää alkuperänsä pyörivään käsilaitteeseen, jonka Englanti sotilasinsinööri Benjamin Robins suunnitteli 1800-luvulla vetovoiman määrittämiseksi. Vuonna 1864 Antonin Prandtl käytti tekniikkaa maidon ja kerman komponenttien erottamiseen. Vuonna 1875 Prandtlin veli, Alexender, paransi tekniikkaa keksimällä koneen voirasvan poistamiseksi. Vaikka sentrifugeja käytetään edelleen maidon komponenttien erottamiseen, niiden käyttö on laajentunut monille muille tieteen ja lääketieteen aloille.

Sentrifugi saa nimensä keskipakoisvoima— Virtuaalinen voima, joka vetää kehruvia esineitä ulospäin.

Jos kauha pyörii riittävän nopeasti, vesi vedetään sisäänpäin eikä vuoda. Jos ämpäri täytetään hiekan ja veden seoksella, kehruu tuottaa sentrifugointi. Mukaan sedimentaatio periaatteen mukaan sekä kauhan vesi että hiekka vedetään kauhan ulkoreunaan, mutta tiheä hiekkapartikkelit laskeutuvat pohjaan, kun taas kevyemmät vesimolekyylit siirtyvät kohti keskusta.

Centripetaalinen kiihtyvyys simuloi olennaisesti suurempaa painovoimaa, mutta on tärkeää pitää mielessä keinotekoinen painovoima on arvoalue, riippuen siitä, kuinka lähellä esine on pyörimisakselilla, ei vakiona arvo. Vaikutus on sitä suurempi, mitä kauempana objekti pääsee, koska se kulkee suuremman etäisyyden jokaisella kierroksella.

Kaikki sentrifugityypit perustuvat samaan tekniikkaan, mutta eroavat sovelluksiltaan. Suurimmat erot niiden välillä ovat pyörimisnopeus ja roottori design. Roottori on laitteen pyörivä yksikkö. Kiinteäkulmaiset roottorit pitävät näytteitä vakiokulmassa, kääntyvissä päänroottorissa on sarana, joka mahdollistaa näyteastioiden kääntymisen ulospäin, kun linkousnopeus kasvaa, ja jatkuvissa putkimaisissa sentrifugeissa on yksi kammio kuin yksittäinen näyte kammiot.

Erottavat molekyylit ja isotoopit: Erittäin nopeat sentrifugit ja ultrakestrifugit pyörivät niin suurella nopeudella, että niitä voidaan käyttää erottamaan eri massan molekyylejä tai jopa isotoopit atomien joukosta. Isotooppien erotusta käytetään tieteelliseen tutkimukseen sekä ydinpolttoaineiden ja ydinaseiden valmistukseen. Esimerkiksi kaasun sentrifugia voidaan käyttää rikastamiseen uraani, koska raskaampi isotooppi vedetään enemmän ulos kuin kevyempi.

Lab: Laboratoriosentrifugit pyörittävät myös suurella nopeudella. Ne voivat olla riittävän suuria seisomaan lattialle tai tarpeeksi pieniä lepäämään tiskille. Tyypillisessä laitteessa on roottori, jossa on kulmaporatut reiät näyteputkien pitämiseksi. Koska näyteputket on kiinnitetty kulmaan ja keskipakoisvoima vaikuttaa vaakatasossa, hiukkaset liikkuvat pienen matkan ennen osumista putken seinämään, jolloin tiheä materiaali liukuu alas. Vaikka monissa laboratoriosentrifugeissa on kiinteän kulman roottorit, myös kääntyvät kauharoottorit ovat yleisiä. Tällaisia ​​koneita käytetään sekoittumattomien nesteiden ja komponenttien eristämiseen suspensiot. Käyttökohteita ovat verikomponenttien erottaminen, DNA: n eristäminen ja kemiallisten näytteiden puhdistaminen.

Korkeapainoinen simulointi: Suuria sentrifugeja voidaan käyttää korkean painovoiman simulointiin. Koneet ovat huoneen tai rakennuksen kokoisia. Ihmisen sentrifugeja käytetään kouluttamaan koelentäjiä ja suorittamaan painovoimaan liittyvää tieteellistä tutkimusta. Sentrifugeja voidaan käyttää myös huvipuistoajeluna. Vaikka ihmisen sentrifugit on suunniteltu nousemaan 10 tai 12 painovoimaa, suuret halkaisijaltaan muut kuin ihmisen koneet voivat altistaa näytteet jopa 20-kertaiseksi normaalipainoon nähden. Samaa periaatetta voidaan yhtenä päivänä käyttää painovoiman simulointiin avaruudessa.

Teollisuussentrifugit käytetään erottamaan kolloidien komponentit (kuten kerma ja voi maidosta), kemiallisessa valmistuksessa, kiinteiden aineiden puhdistamisessa porausnesteestä, kuivausmateriaaleissa ja vedenkäsittelyssä lietteen poistamiseksi. Jotkut teolliset sentrifugit luottavat sedimentoitumiseen erottamiseen, kun taas toiset erottavat aineen seulaa tai suodatinta käyttämällä. Teollisia sentrifugeja käytetään metallien valuun ja kemikaalien valmistukseen. Eropaino vaikuttaa faasien koostumukseen ja muihin materiaalien ominaisuuksiin.

Arjen sovellukset: Keskikokoiset sentrifugit ovat yleisiä päivittäisessä elämässä, lähinnä nesteiden nopeaksi erottamiseksi kiinteistä aineista. Pesukoneet käyttävät sentrifugointia linkousjakson aikana veden erottamiseksi pyykinpesuista. Samanlainen laite pyörittää vettä uimapukuista. Salaattilankoittimet, joita käytetään pestä ja sitten kehrätä kuiva salaatti ja muut vihreät, ovat toinen esimerkki yksinkertaisesta sentrifugista.

Sentrifugointi on paras vaihtoehto korkean painovoiman simuloimiseksi, mutta on olemassa muita tekniikoita, joita voidaan käyttää materiaalien erottamiseen. Nämä sisältävät suodatuksen, seulonta, tislaus, dekantoimallaja kromatografia. Paras tekniikka sovellukselle riippuu käytetyn näytteen ominaisuuksista ja sen tilavuudesta.